某山区人行廊桥三分力系数风洞实验研究

王可峰，陈 涛，苏 益

（1.中国市政工程西南设计研究总院有限公司，四川 成都610081；2.西南交通大学风工程试验研究中心，四川 成都610031；3.西南交通大学风工程四川省重点实验室，四川 成都 610031）

0 引言

长悬挑结构是现代建筑结构设计技术发展成果的重要组成部分，被广泛应用于高层建筑、观景平台、体育场馆等建筑。随着设计理念及施工技术的进步与发展，建筑工程结构的功能、造型及技术越发复杂多样，应用的设计方法及施工手段也与日俱进，山区风环境下各类新型建筑结构的抗风性能则需被特殊关注。其中静力三分力系数研究是结构抗风性能研究中的基础性工作。根据结构静力三分力系数，可以算得作用于结构的三分力（升力、阻力、扭矩），进而研究静风荷载作用下结构风致响应，并进行静风稳定性分析。

目前国内对悬挑结构的研究方向普遍集中在悬挑结构的施工吊装及卸载分析[1]、抗震性能分析[2-3]、舒适性分析与控制[4]和风荷载分析[5]，对于山区地带悬挑式结构的研究则主要偏向于其对于道路扩宽的作用，而对于山区峡谷地带悬挑式观景桥的抗风性能及设计的研究极少[6]。

随着特殊山区旅游事业的发展，最近几年各地出现数座山区悬挑观景廊桥正在设计、建造中或已使用，且悬臂长度不断增大，结构形式越发新奇。根据对桥梁抗风性能的不断研究，风致效应敏感的桥梁不单限于大跨度桥梁，诸如特殊人行桥等诸多形式的短、中跨桥梁亦列为风致效应敏感的结构中[7]。然而国内外关于此类人行桥梁结构抗风性能的研究极少[8-9]，如某些山区高悬崖处长悬挑观景廊桥结构，其结构形式及所处风环境与一般意义上的桥梁结构存在诸多差异，风荷载作用下风致响应情况更加复杂，导致相应的规范及标准中尚未规定及明确其设计参数，同时值得借鉴的类似研究成果极少，当前仍需要通过风洞实验等方法进行分析。

考虑到山地地形复杂多变的特点，局部风环境的影响因素较多，深入研究桥位处风环境是山区桥梁抗风设计的基础，诸如平均风速、风偏角、风攻角等各风特性参数均对三分力系数存在一定的影响。本文以辽宁蒲石河枫叶观景桥为依托，进行刚性模型测力实验。该廊桥结构建于730 m 悬崖，呈枫叶形状，悬挑长达29 m，结构最宽处达35 m，设计风速为32.6 m/s。以此枫叶型廊桥为背景，基于风洞实验着重分析山区风环境下结构在各风偏角及风攻角下的静力三分力系数。鉴于近年来此类山区观景桥梁不断涌现且其跨度不断增大，实验结果对山区风环境下类似长悬挑结构的静力抗风设计具有重要的意义。

1 风洞实验

1.1 实验设备

实验在成都西南交大XNJD-3 风洞进行。实验段尺寸36 m（长）×22.5 m（宽）×4.5 m（高），风速范围1.0～16.5 m/s，通过被动模拟装置模拟湍流场，可实现《建筑结构荷载规范》中要求的各湍流场特性。实验段地面底板装有可自由转动的转盘，用以实现风偏角在0°～360°范围中的转变。如图1 所示，实验采用的ATI 六轴力/ 力矩传感器Gamma 天平测量悬挑和平台的结合处与底座和山体的结合处的基底力和力矩。该Gamma 天平采用高精度加工的高强度航空铝型材，单轴许用荷载是额定荷载的6.9～31.6 倍。

图1 ATI 六轴力/ 力矩传感器Ga mma 天平

风洞中湍流场被动模拟采用尖塔、挡板、粗糙元等装置，可准确模拟规范中各类别湍流场风速剖面、湍流强度剖面及湍流脉动风速谱等。

结合实验中结构模型几何尺寸和细部构造、山地地形特点以及阻塞率的实验条件，实验最大限度还原了桥址处地形。模型几何缩尺比为1∶80，模型长度0.36 m，最宽处为0.43 m，阻塞率小于5%，满足实验要求。

1.2 实验工况

本实验为刚性模型实验，在均匀流场中执行，可以获得该廊桥结构的三分力系数。

考虑到结构的特殊性，本次实验主要考察悬挑和平台的结合处与底座和山体的结合处的力学性质，将Gamma 测力天平搭设于这两处位置，且对此两处位置的天平连接方式进行合理处理以实现实验所需风攻角的转变，实验模型及天平布置如图2 所示。

图2 模型及测力天平设置示意图

将山体模型固定于风洞地面底板的转盘上，通过人工旋转该转盘以改变实验风偏角，在0°～360°风偏角内分别进行多组实验，并在不利风偏角范围中增加实验工况，角度间隔取为5°，同时在较为安全风偏角范围中适当加大实验角度间隔。该实验中风攻角和风偏角的设置如图3 所示。其中风攻角包含-3°、-1°、0°、1°、3°共5 个角度，风偏角包含0°～360°内共33 个角度。实验工况如图3 所示。

图3 风洞实验风偏角及风攻角示意图

模型风洞实验示意图如图4 所示。据图4 可知，枫叶桥周围山体虽然类似于悬崖，但存在一定起伏。在0°时，桥体被部分山体遮挡，对于来流风有一定的影响；在90°时，桥体与同一高度的山体平齐，山体从右至左逐渐下降；在180°时，桥体并未被山体遮挡，其受到的影响最小；在270°时，桥体正对来流方向，山体完全在后桥体后侧。

图4 模型风洞实验示意图

2 实验结果

在速度U 为的来流风中，结构断面将受到顺桥向的力Fz和横桥向的力Fx以及流动引起的静力矩My，如图5 所示，体轴坐标系中三分力系数主要是揭示结构断面在平均风作用下受力大小的无量纲系数，反映风对结构的定常气动力效应[10-11]。三分力系数的计算公式[12]如下：

图5 作用在结构上的静力三分力

式中：CFz、CFx、CMy表示在结构体轴坐标系中的升力系、阻力、扭矩系数；Fz、Fx、My分别表示在体轴坐标系中的升力（N）、阻力（N）、扭矩（N·m）；ρ 为空气密度（kg/m3）；U 为设计风速（m/s）；H、B、L 分别为模型的高度（m）、宽度（m）和 长度（m）（将廊桥结构顺桥向定义为长度方向，横桥向为宽度方向，本实验采用的参考尺寸分别为0.026 m、0.43 m、0.36 m）。

根据实验中所取得的数据，通过三分力系数公式，可以得到结构的两处位置在体轴坐标系下的三分力系数，如图6 所示，其中图6（a）、图6（b）、图6（c）为天平位置1（悬挑和平台的结合处）的三分力系数曲线，图6（d）、图6（e）、图6（f）为天平位置2（平台底座和山体的结合处）的三分力系数曲线。

图6 结构静力三分力系数

3 实验结果分析

根据三分力系数曲线可看出，山体对湍流场及三分力系数存在明显影响。虽然随着风偏角的变化，结构静力三分力系数均展现出各不相同的规律性，但是由于场地模型的原因，在个别的风偏角下，其对应的结构三分力系数会出现与整体规律性不一致的突变。同时，可以看到在不同位置处的三分力系数在体轴系的同一方向上展现出一致的规律性。

在不同实验风攻角下，随风偏角的改变，结构三分力系数曲线走势基本一致，且风攻角对三分力系数值的大小有明显影响，风攻角越大，其偏移0°攻角的三分力系数范围越大。

根据风洞实验位置图可知，桥体结构的位置是关于0°～180°和180°～360°这两个风偏角对称的，但由于地形不对称因素的影响，可以看到根据实验得到的三分力系数曲线在0°～180°和180°～360°这两个风偏角范围中并未呈现严格的对称。

3.1 悬挑与平台结合处

对于悬挑和平台结合处，其升力系数大体呈现出单边增大→减小→增大的对称的趋势，当风攻角为-3°，风偏角在210°附近时出现最大值0.536，当风攻角为3°，风偏角在135°和330°附近出现最小值-0.434；阻力系数曲线大体上呈现减小→增大的趋势，当风攻角为3°，风偏角在180°附近时出现最小值-3.350，当风攻角为-3°，风偏角在5°和355°附近时出现最大值3.43；对于扭矩系数，当风攻角为3°，风偏角在120°附近出现最小值-0.343，当风攻角为-3°，风偏角在240°附近时出现最大值0.336。

升力系数曲线在风偏角从0°、360°向180°靠拢的过程中，其呈现出增大→减小→增大的走势，考虑到山体地形形状的因素，这是由崖壁对来流风的阻挡使得风的回流不断增大，风沿崖壁向上折向桥体的回流致使结构升力系数增大。因此，考虑当到风偏角在180°～270°范围内时，来流风被下部山体阻挡后沿着崖壁向上折向结构，造成升力系数增大，使得其最大值出现在210°风偏角附近。

阻力系数曲线呈现出减小→增大的走势，不同攻角下阻力系数最大值均在15°和345°风偏角附近出现，根据测力天平位置可以得出，结构受到的阻力为横桥向，随风偏角的变化，来流方向与横桥向之间的夹角逐渐变化，至90°和270°时，夹角达到最小值，阻力系数在90°、270°附近趋近于0°。在风偏角为0°及180°时，夹角达到最大值，但因山体地形的影响，阻力系数在15°和345°风偏角附近出现极大值，185°附近出现极小值。

扭矩系数曲线呈现出规律性的增大→减小→增大的反对称的趋势，在30°、240°附近出现极大值，在120°、330°附近出现极小值，同时随着攻角的增大，其均方根也随之增大。

3.2 平台底座与山体结合处

对于平台底座和山体结合处，其升力系数大体呈现单边减小→增大的反对称的趋势，当风攻角为-3°，风偏角在255°附近时出现最大值0.458，当风攻角为3°，风偏角在120°附近时出现最小值-0.506；阻力系数曲线大体上呈现减小→增大的趋势，当风攻角为3°，风偏角在180°附近出现最小值-2.793，当风攻角为-3°，风偏角在5°和355°附近时出现最大值2.929；对于扭矩系数，当风攻角为3°，风偏角在210°附近出现最小值-0.105，当风攻角为-3°，风偏角在120°和285°附近出现最大值0.203。

升力系数曲线在风偏角变化过程中，可看到其呈现出明显的变化规律：减小→增大→减小。根据此处升力在体轴中的方向，考虑山体地形的影响，其在135°附近出现极小值，在正对来流方向，即风偏角270°附近出现极大值，同时由于山体的遮挡，可以发现升力在165°风偏角附近表现出明显的上升变化。

4 结语

本文通过刚性模型风洞实验对结构静力三分力系数研究分析，可得出以下结论：

（1）随着来流风偏角的变化，静力三分力系数呈现出规律性的变化趋势，山体地形对三分力系数的影响显著。

（2）结构三分力系数随风攻角的改变而变化，并且风攻角越大，其对应的结构三分力系数值也越大。

（3）对于结构不同位置处的三分力系数，在结构体轴系上的相同方向，其数值随着风偏角的变化，表现出了一致的变化趋势。

（4）因山体地形及结构外形的综合影响，当风偏角在135°、210°和330°附近时，升力系数易出现极值；当风偏角在5°、180°和355°附近时，阻力系数易出现极值；当风偏角在120°和240°时，扭矩系数易出现极值，结构设计中应加以重视。